Wyrażenie „odpowiedź na niedotlenienie” zazwyczaj odnosi się do reakcji organów wewnętrznych, mięśni i komórek organizmu na niedotlenienie. Jako stan chorobowy niedotlenienie występuje, gdy do organizmu dostaje się niewystarczająca ilość tlenu. Jedną z obserwowanych odpowiedzi na hipoksję jest zwiększona aktywność układu oddechowego, zwykle obserwowana, gdy osoba dochodzi do hiperwentylacji. Tempo oddychania staje się szybkie, zwiększa się głębokość oddychania, a przerwy między oddechami zmniejszają się, aby wchłonąć więcej tlenu. Hiperwentylacja umożliwia również szybsze opuszczenie organizmu przez dwutlenek węgla, ale może być bardziej szkodliwa, gdy jest przedłużona, ponieważ niski poziom dwutlenku węgla może również zwężać naczynia krwionośne i uniemożliwiać wnikanie tlenu.
Inną reakcją na niedotlenienie jest rozszerzenie naczyń krwionośnych, w którym naczynia krwionośne stają się szersze, aby umożliwić krążenie większej ilości krwi i tlenu w całym ciele. Kiedy naczynia krwionośne są rozszerzone, mięśnie są również bardziej rozluźnione, a ciśnienie krwi spada. W ten sposób rozszerzenie naczyń działa jak miecz obosieczny, pozwalając większej ilości tlenu dostać się do rozszerzonych naczyń krwionośnych i sygnalizując organizmowi, że potrzebuje mniej tlenu poprzez spowolnienie jego aktywności. Z tego powodu pacjent doświadczający niedotlenienia może cierpieć na zawroty głowy i drętwienie mięśni, które są skutkiem obniżenia ciśnienia krwi i rozluźnienia mięśni. W gorszych przypadkach może dojść do omdlenia, a nawet śpiączki.
W przeciwieństwie do rozszerzenia naczyń, mięśnie i naczynia krwionośne w płucach kurczą się, stan formalnie znany jako „niedotlenienie naczyń płucnych” (HPV). To jest sposób, w jaki organizm przystosowuje się do niedostatecznej podaży tlenu. Gdy płuca doświadczają HPV, przekierowują przepływ krwi, szczególnie do pęcherzyków płucnych, które działają jak kieszenie powietrzne w płucach. Kiedy do pęcherzyków dostaje się więcej krwi, zwiększa się szybkość wymiany gazowej w organizmie, a krew zawierająca tlen jest lepiej wchłaniana przez organizm.
Niektórzy genetycy zaobserwowali, że istnieje również reakcja na niedotlenienie na poziomie komórkowym. Komórki mają zdolność „zapamiętywania” i mogą dokumentować incydent niedotlenienia, otrzymując „podpis”. W ten sposób komórki zapamiętają, jak należy zwalczać niedotlenienie następnym razem. Z drugiej strony, niektóre badania wykazały, że prognozy raka piersi i jajników pogarszają się, gdy komórki zawierają sygnaturę wystąpienia niedotlenienia.
Adaptacja organizmu i reakcja na hipoksję mogą pomóc osobie tylko w ograniczonym czasie, dlatego pilne leczenie hipoksji jest bardzo ważne. Można podłączyć zewnętrzny dopływ tlenu lub zastosować resuscytację krążeniowo-oddechową (RKO). W niektórych przypadkach pacjentowi dostarcza się również płyny poprzez podanie dożylne.